水體下復(fù)合頂板厚煤層綜放安全開采關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用及科學(xué)應(yīng)用

1、水體下復(fù)合頂板厚煤層綜放安全開采關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用及科學(xué)應(yīng)用2022/7/11提 綱一、工程背景、來源二、采場覆巖內(nèi)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律的四維探測方法三、采場覆巖內(nèi)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育高度預(yù)測模型四、復(fù)合頂板厚煤層綜放平安開采關(guān)鍵技術(shù)和平安保障體系五、技術(shù)成果及工程應(yīng)用六、創(chuàng)新點(diǎn)及技術(shù)結(jié)論2022/7/11工程背景、來源12022/7/11 水體下采煤技術(shù)關(guān)鍵為導(dǎo)水裂縫帶不涉及含水層突水水源隔水關(guān)鍵層天然構(gòu)造采動(dòng)裂隙突水通道工程背景、來源2022/7/11 目前覆巖裂隙發(fā)育主要探測方法工程背景、來源2022/7/11 目前覆巖裂隙發(fā)育主要探測方法工程背景、來源2022/7/11 目前覆巖裂隙發(fā)育主要探測方法工程

2、背景、來源存在問題鉆孔工程量大；工農(nóng)關(guān)系難處理；探測裂隙書目少；2022/7/11 采動(dòng)裂隙直接導(dǎo)通含水層突水實(shí)例 例如： 廣東興寧大興煤礦，下層煤開采時(shí)，采動(dòng)裂隙擴(kuò)展破壞了上層煤開采所留設(shè)的防水煤柱，導(dǎo)致特大突水，死亡123人。地表水或含水層上工作面下工作面煤柱采動(dòng)裂隙2022/7/11 20002007年煤礦重特大突水死亡事故年份事故次數(shù)死亡及失蹤人數(shù)20009982001381762002933872003924242004612542005104593200638267200738423總計(jì)47326222022/7/11 地表水體下采煤特征突水水源隔水關(guān)鍵層天然構(gòu)造采動(dòng)裂隙突水通道水

3、體底面與煤層之間應(yīng)有相應(yīng)厚度的隔水關(guān)鍵層，才能實(shí)現(xiàn)水體下平安采煤，如果隔水層較差，開采上覆巖層變形和破壞后形成的“兩帶高度對(duì)平安生產(chǎn)影響重大，一旦導(dǎo)水裂隙帶涉及水體，水體將成為開采工作面的直接充水水源，增加礦井的排水壓力，甚至造成突水淹井事故。2022/7/11采場覆巖內(nèi)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律的四維探測方法22022/7/11通過鉆孔軌跡測量儀、鉆孔電視系統(tǒng)以及雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)觀測工作面在開采前、開采中、開采后、穩(wěn)定后的覆巖裂隙發(fā)育的時(shí)空上的動(dòng)態(tài)規(guī)律。四維探測法概念四維探測法試驗(yàn)工作面概況 富水區(qū) 富水區(qū)警戒線 富水區(qū) 地表河流切眼傾斜長300.21m，煤層平均厚度5.99m。工作面采用走向長壁

4、、后退式大采上下位放頂煤全部垮落式綜合機(jī)械化采煤法。S1202工作面布置平面圖鉆場布置狀況1三鉆孔和巷道水平方向?yàn)?5仰角，和巷道中心線夾角分別為90、49、31；2鉆孔長度均為182m，進(jìn)入煤層頂板垂直深度為100m；3孔口開口位置布置在巷道偏向工作面的頂板位置；4和巷道中心線夾角為90的鉆孔需要全段地質(zhì)取芯，詳細(xì)記錄及蠟封；5成孔直徑為113mm，假設(shè)不具備條件至少應(yīng)該在91mm之上。6本工作面的打鉆時(shí)間為工作面裝備完畢，準(zhǔn)備回采前鉆場距離工作面內(nèi)切眼130m， 否那么鉆場前移至采動(dòng)影響區(qū)域之外。2022/7/11開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進(jìn)風(fēng)順槽利用數(shù)字全景鉆孔彩色電視觀測系統(tǒng)、

5、雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)、鉆孔軌跡測量儀系統(tǒng)，不僅能夠準(zhǔn)確把握覆巖破壞高度，而且可以對(duì)采動(dòng)覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進(jìn)行探測并定量化的數(shù)字化處理，且能夠提供裂隙參數(shù)的計(jì)算、統(tǒng)計(jì)與分析。模擬觀測過程2022/7/11利用數(shù)字全景鉆孔彩色電視觀測系統(tǒng)、雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)、鉆孔軌跡測量儀系統(tǒng)，不僅能夠準(zhǔn)確把握覆巖破壞高度，而且可以對(duì)采動(dòng)覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進(jìn)行探測并定量化的數(shù)字化處理，且能夠提供裂隙參數(shù)的計(jì)算、統(tǒng)計(jì)與分析。開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進(jìn)風(fēng)順槽模擬觀測過程2022/7/11開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進(jìn)風(fēng)順槽利用數(shù)字全景鉆孔彩色電視觀測系統(tǒng)、雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)

6、、鉆孔軌跡測量儀系統(tǒng)，不僅能夠準(zhǔn)確把握覆巖破壞高度，而且可以對(duì)采動(dòng)覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進(jìn)行探測并定量化的數(shù)字化處理，且能夠提供裂隙參數(shù)的計(jì)算、統(tǒng)計(jì)與分析。模擬觀測過程2022/7/11開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進(jìn)風(fēng)順槽利用數(shù)字全景鉆孔彩色電視觀測系統(tǒng)、雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)、鉆孔軌跡測量儀系統(tǒng)，不僅能夠準(zhǔn)確把握覆巖破壞高度，而且可以對(duì)采動(dòng)覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進(jìn)行探測并定量化的數(shù)字化處理，且能夠提供裂隙參數(shù)的計(jì)算、統(tǒng)計(jì)與分析。模擬觀測過程2022/7/11技術(shù)原理示意圖開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進(jìn)風(fēng)順槽利用數(shù)字全景鉆孔彩色電視觀測系統(tǒng)、雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)、鉆孔

7、軌跡測量儀系統(tǒng)，不僅能夠準(zhǔn)確把握覆巖破壞高度，而且可以對(duì)采動(dòng)覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進(jìn)行探測并定量化的數(shù)字化處理，且能夠提供裂隙參數(shù)的計(jì)算、統(tǒng)計(jì)與分析。模擬觀測過程2022/7/11裂隙圈開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進(jìn)風(fēng)順槽利用數(shù)字全景鉆孔彩色電視觀測系統(tǒng)、雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)、鉆孔軌跡測量儀系統(tǒng)，不僅能夠準(zhǔn)確把握覆巖破壞高度，而且可以對(duì)采動(dòng)覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進(jìn)行探測并定量化的數(shù)字化處理，且能夠提供裂隙參數(shù)的計(jì)算、統(tǒng)計(jì)與分析。模擬觀測過程2022/7/11分段注水局部觀測數(shù)據(jù)注水量前后明顯增多，說明鉆孔內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生了較多的裂隙；數(shù)據(jù)表顯示的注水量在20米與25米之間產(chǎn)生

8、了較大的變化，說明此處可能是采空區(qū)上部與聯(lián)絡(luò)巷的分界點(diǎn)；在40米到55米之間的注水量最大，且相差甚小，而過了54.5-55.5米后注水量明顯下降，說明冒落帶與裂隙帶的分界點(diǎn)可能就在此54.5-55.5米左右。冒落帶在垂直方向上那么在之間；在通孔的過程中，當(dāng)通到50米左右時(shí)會(huì)有水流下，可能在50米產(chǎn)生了坍塌，堵住了水流，說明在50米處鉆孔變化比較嚴(yán)重，且注水量此處也比較高，說明此處的裂隙比較密集；原巖注水試驗(yàn)直觀圖動(dòng)態(tài)注水試驗(yàn)直觀圖鉆孔電視局部觀測圖1013m 3237m 4043m 5053m 5356 6568m 55m 6568m 7076m 7880m 8588m鉆孔電視觀測局部數(shù)據(jù)分析

9、在所統(tǒng)計(jì)的59條裂縫中，傾角小于30的裂隙占12%，傾角為30-39的裂隙占11%，傾角為4049的裂隙占34%，傾角為 5059的裂隙占 16%，傾角為 6069的裂隙占 18%，傾角為 7079的裂隙占 5%，傾角為 8090的裂隙占 4%。在所統(tǒng)計(jì)的59條裂縫中，裂隙的寬度主要為小于20mm的，其中小于20mm的裂隙占總數(shù)的69%，20-25mm的占總數(shù)的12%，25-30mm的占總數(shù)的9%，30-35mm為6%，35-50mm的為4%。2022/7/11采場覆巖內(nèi)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育高度預(yù)測模型32022/7/11現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式及存在問題目前并沒有相關(guān)的綜放開采覆巖裂隙帶計(jì)算公式，且經(jīng)驗(yàn)公式中往

10、往都用誤差(38m)的形式來反映所在條件下的不確定情況，這本身就存在著一個(gè)誤差問題，其原因就在于我國地質(zhì)條件差異大，覆巖分類不細(xì)，巖體結(jié)構(gòu)特征，工作面生產(chǎn)技術(shù)條件等沒有完全反映在預(yù)計(jì)公式中，加之受當(dāng)時(shí)觀測手段和觀測方法的影響，因而，此法往往只能作為解決實(shí)際問題的參考。2022/7/11相似模擬模型設(shè)計(jì)直接頂垮落老頂垮落后裂隙分布2022/7/11工作面推進(jìn)90m工作面推進(jìn)170m工作面推進(jìn)210m工作面推進(jìn)300m裂隙的平面分布曲線2022/7/11相似模擬結(jié)果分析1當(dāng)工作面推進(jìn) 20 m 時(shí)，采空區(qū)上方直接頂垮落，此時(shí)采空區(qū)內(nèi)部孔裂隙度最高。2當(dāng)工作面推進(jìn)至 55 m 時(shí)，下位亞關(guān)鍵層垮落而

11、主關(guān)鍵層未垮落，采空區(qū)內(nèi)部孔裂隙度最高。 3工作面繼續(xù)推進(jìn)至 100 m 時(shí)，上位主、亞關(guān)鍵層全部垮落，采空區(qū)中部被壓實(shí)，采空區(qū)中部孔隙度開始變小。 4 當(dāng)工作面推進(jìn)至120 m時(shí)，采空區(qū)內(nèi)部壓實(shí)程度進(jìn)一步增加，采空區(qū)中部裂隙度增量逐漸降低，但是，采空區(qū)靠近工作面煤壁側(cè)和靠近開切眼側(cè)受邊界懸頂與支架的支撐作用，出現(xiàn)裂隙度增量區(qū)。 2022/7/11相似模擬破斷裂隙分布規(guī)律覆巖裂隙密度分布規(guī)律孔隙度和應(yīng)力分布及其演化2022/7/11結(jié)合四維探測結(jié)果以及相似模擬試驗(yàn)等方法，得到裂隙寬度與裂隙比例關(guān)系。裂隙寬度與裂隙比例關(guān)系2022/7/11裂隙發(fā)育與鉆孔深度關(guān)系結(jié)合四維探測結(jié)果以及相似模擬試驗(yàn)等

12、方法，得到裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育狀況與鉆孔深度關(guān)系。采動(dòng)前采動(dòng)后復(fù)合頂板厚煤層綜放平安開采關(guān)鍵技術(shù)和平安保障體系42022/7/11S1202工作面開始回采時(shí)，在S1202工作面上布置三條觀測線，即兩條走向線和一條傾向線地表移動(dòng)特征2022/7/11主要觀測站情況地表裂縫示意圖觀測點(diǎn)埋深情況2021年12月21日開始至2021年7月4日兩年時(shí)間內(nèi)，分別對(duì)走向觀測線和傾向觀測線進(jìn)行了15次的觀測，獲取了相對(duì)較完善的地表移動(dòng)變形觀測數(shù)據(jù)，為地表移動(dòng)變形規(guī)律的分析和地表移動(dòng)變形參數(shù)的獲取提供了必要的數(shù)據(jù)保障。2022/7/11主要觀測站情況名稱走向（）下山（）上山（）綜合移動(dòng)角687074移動(dòng)角707278綜

13、合邊界角657076邊界角677379充分采動(dòng)角65最大下沉角85開采影響傳播角900.7煤層傾角拐點(diǎn)偏距0.1開采邊界采高地表移動(dòng)角值參數(shù)反映了地下開采對(duì)地表移動(dòng)的影響程度、大小及范圍。角值參數(shù)與開采方法、巖石物理力學(xué)性質(zhì)、煤層傾角、開采厚度、開采深度、采動(dòng)次數(shù)、采空區(qū)尺寸大小、地形、地貌及松散層厚度等有關(guān)。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，綜合移動(dòng)角、綜合邊界角、考慮松散層移動(dòng)角按45計(jì)算的移動(dòng)角和邊界角、開采影響傳播角及拐點(diǎn)偏距的計(jì)算結(jié)果。2022/7/11根據(jù)余吾煤業(yè)上覆巖層的特點(diǎn)及試采工作面地表移動(dòng)觀測研究的成果，參考周邊礦井的經(jīng)驗(yàn)，本次預(yù)計(jì)采用概率積分法、MATLAB、suffer進(jìn)行。依據(jù)

14、河區(qū)首采工作面的開采范圍、傾角變化、煤層實(shí)際厚度等情況，按上節(jié)內(nèi)容所求得的地表巖移參數(shù)，運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)S1206工作面全采垮落法開采后地表變形值，并采用surfer軟件繪制了各種變形等值線圖。通過相關(guān)軟件對(duì)S1206工作面地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)，得出S1206工作面的最下沉值、最大傾斜值、最大曲率、最大水平移動(dòng)、最大水平變形、工作面下沉面積如表所示。地表移開工程應(yīng)用最大下沉值最大傾斜值最大曲率最大水動(dòng)最大水平變形下沉面積4500mm20mm/m0.14mm/m31100mm11mm/m729349 m22022/7/11礦井工作面預(yù)計(jì)下沉等值線圖2022/7/11其它平安保障體系其它安全保障

15、體系2022/7/11技術(shù)成果及工程應(yīng)用52022/7/11技術(shù)成果1高保彬,王曉蕾,朱明禮,周建偉.復(fù)合頂板高瓦斯厚煤層綜放工作面覆巖“兩帶動(dòng)態(tài)發(fā) 育特征J.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2021,S1:3444-3451.2高保彬,李林,李回貴,于水軍.綜合物探技術(shù)在礦井工作面底板含水構(gòu)造探測中的應(yīng)用J.中國平安生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2021,07:87-92.3高保彬,劉云鵬,潘家宇,袁恬.水體下采煤中導(dǎo)水裂隙帶高度的探測與分析J.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2021,S1:3384-3390.4高保彬,王曉蕾,李回貴,孫曉艷,劉云鵬.水體下綜放開采可行性分析J.水資源與水工程學(xué)報(bào),2021,01:35-39+4

16、4.5高保彬,高佳佳,袁東升.基于UDEC的大采高覆巖破裂的模擬與分析J.湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2021,02:1-6.6高保彬,劉云鵬,袁東升.下保護(hù)層開采上覆煤巖卸壓增透機(jī)理研究與應(yīng)用J.煤炭科學(xué)技術(shù),2021,07:67-70+74.7高保彬,李回貴,王洪磊.UDEC下保護(hù)層開采裂隙演化及瓦斯?jié)B流規(guī)律J.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2021,05:518-522.8高保彬,李回貴,于水軍.改進(jìn)的灰色馬爾可夫模型在采煤工作面涌水量預(yù)測中的應(yīng)用J.礦業(yè)研究與開發(fā),2021,04:73-76+113.2022/7/11用戶使用證明2022/7/11經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益分析2022/7/11創(chuàng)新點(diǎn)及技術(shù)結(jié)論62022/7/11主要研究成果及創(chuàng)新點(diǎn)1建立了采場覆巖內(nèi)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律的四維探測方法。2建立了采場覆巖內(nèi)裂隙發(fā)育高度預(yù)測模型。3獲得了礦區(qū)地表移動(dòng)規(guī)律角量參數(shù)，并建立了地表移動(dòng)變形預(yù)測模型。4建立了回采工作面區(qū)段保護(hù)煤柱合理尺寸預(yù)測模型。2022/7/11工程研究的技術(shù)結(jié)論1通過鉆孔軌跡測量儀、鉆孔電視系統(tǒng)以及雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)觀測工作面回采過程中空間與時(shí)間上的覆巖內(nèi)裂隙四維動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律。2綜合考慮礦井工程地質(zhì)、水文地質(zhì)特征、圍巖分類、綜放開采礦壓、地表移動(dòng)規(guī)律、回采